高速立式加工中心电主轴的振动测试及频谱分析 口王美妍 口赵月娥 陕西咸阳７１２０００ 陕西工业职业技术学院机械工程学院摘要：根据高速立式加工中心对电主轴高精度、高稳定性的要求及电主轴的结构特点，采用加速度传感器对电主 轴进行振动测试，并对测试结果进行频谱分析与自相关性、自功率谱分析。 关键词：高速加工中心 电主轴振动测试频谱分析 自功率谱分析 中图分类号：ＴＨ８２５ 文献标识码：Ａ 随着社会的发展以及科技水平的提高．高速数控 机床作为装备制造业的战略性产业．是装备制造业的 技术基础和主要发展方向 高速立式加工中心的主要 特点为高速、高精度、高稳定性。电主轴作为高速立式 加工中心的核心部件．其性能的优劣对高速立式加工 中心的加工精度及生产效率影响很大。因此。通过对电 主轴振动特性的测试．分析出对电主轴振动影响很大 的频率以及振动产生的原因．为电主轴的结构优化以 及实际的生产加工过程提供依据 １ 电主轴的基本结构及振动测试 如图１所示．为高速立式加工中心电主轴的基本 结构图。其额定功率为２２ ｋＷ，额定扭矩为３４ Ｎ・ｎｌ。最 高转速为２４ ０００ ｒ／ｍｉｎ，前后轴承均采用油气润滑。 １．１ 电主轴的振动测试原理 电主轴在高速运转时．电主轴系统会发生振动 通 过在电主轴前端与后端贴装加速度传感器采集加速度 信号．之后对加速度信号进行处理得到电主轴的振动 信号。 电主轴在运转过程中，除了本身固有的、由功能所 要求的运动以外．其它一切偏离理想位置的运动为主 轴振动。电主轴端部的振动量，主要应用加速度传感器 收稿日期：２０１２年８月 机械制造５１卷第５８１期 文章编号：１０００—４９９８（２０１３）０１—００６７—０３ 测 、 电主轴以某一恒定转速旋转．传感器拾取主轴 端邪外阗柱面上的振动加速度．测量系统将该径向振 动分量转变成电信号并将电信号输入到测量放大系统 中．之后再对其进行信号处理 １．２ 电主轴测试系统的组成 电主轴的测试系统主要由高速立式加工中心的电 主轴、检测系统（加速度传感器、热电阻适调器、 ＤＨ５９２２动态信号测试分析系统、测试软件、计算机 等）组成．如图２所示。 ２电主轴的频谱分析 加速度传感器安装在主轴端部．传感器拾取振动 信号，并将此振动信号通过电缆传人到振动分析仪．在 电脑屏幕上显示一条幅值随时间变化的曲线 在时域 下显示振动波形是很精确的方法．可以显示出主轴的 实际振动形态．但是通过时域波形很难清楚地显示电 主轴在不同转速下的振动情况 因此需要对所采集的 数据进行快速傅里叶变换．将得到的时域振动信号转 换为频域信号。即频谱 图３为电主轴在５００ ｒ／ｍｉｎ、１ ０００ ｒ／ｍｉｎ、２ ０００ ｒ／ ｍｉｎ时的频谱图。如图３（ａ）所示为转速为５００ ｒ／ｍｉｎ时 的频谱图．转频为８ Ｈｚ左右．从图中可以观察出．在倍 频处并没有峰值出现．初步断定主轴为动平衡 峰值１ 处可能为油旋或摩擦造成 ２０１３／１ 基才贝叶斯网络的轴裂纹故障诊断模型 口李鸿光 口孙树栋 口司书宾 口司佳佳 西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室 西安７１００７２ 摘要：介绍了基于贝叶斯网络的建模方法．并讨论各种贝叶斯网络建模方法的优缺点。以故障模拟器作为研究对 象，通过对轴裂纹故障数据的采集、整理，采用４种不同的贝叶斯网络建模方法分别对数据集合的训练集建立模型；最后 通过测试集对各模型精度进行验证。从而得出轴裂纹故障诊断的最优模型。 关键词：故障模拟器轴裂纹 贝叶斯网络 中图５＂）￣：ＴＨ１３３．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００２４９９８ｆ２０１３）０１—００６９—０４ 机械故障Ⅲ指机械系统（零件、组件、部件或整台 Ｎａｉｖｅ—Ｂａｙｅｓ，ＡＮＢ）嘲、树型朴素贝叶斯（Ｔｒｅｅ 设备乃至一系列的设备组合）已偏离其设备状态而丧 Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｎａｉｖｅ—Ｂａｙｅｓ，ＴＡＮ） 和无监督贝叶斯网络 失部分或全部功能的现象。如果能够对机械的运行状 （Ｇｅｎｅｒａｌ Ｂｅｙａｓｉａｎ Ｎｅｔｗｏｒｋ．ＧＢＮ） 进行诊断模型构建 态进行监测．并在故障发生前发现故障并采取相应措 和性能分析，为轴裂纹故障诊断提供了方法依据。 施．开展预先维护，对于保障设备正常运行、避免严重 故障危害是非常有效的。对于旋转设备，一般可以通过 １ 轴裂纹故障数据收集 １Ｊ采集实时振动信号．并通过对数据进行分析提取振动 机械故障仿真器／模拟器（ＭＦＳ）是一种用于机械健 特征．从而建立振动幅度、频率与设备状态间的映射关 康检测的测试设备 此设备可模拟各种机械轴的常见 系．达到预先维护的目的。 故障，诸如：轴裂纹不平衡、轴不对中、弯曲轴、裂纹轴、 贝叶斯网络［ （Ｂａｙｅｓｉａｎ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ．ＢＮ）是一种有 滚珠和油膜轴承缺陷、带传动故障、齿轮箱障、电机故 向无圈图。它通过基于概率推理的图形化网络．表示变 障、压缩机故障及泵故障等。本文涉及的有关故障模拟 量的不确定状态及变量之间条件依赖关系 目前贝叶 器的实验主要是：将以下故障件在故障模拟器上以不 斯网络在统计决策、医疗诊断、专家系统以及处理不确 同状态运行．并收集它 定性信息的智能化系统等领域的应用已十分广泛．是 们的故障数据。 黼 簟 ９ ｌ筮 进行数据分析和不确定性推理的重要工具 此故障件包括一根 ｉ ｊ ｌ酬 本文基于故障模拟器采集到的轴裂纹故障数据 直径为４．５ ｉｎ（１ｉｎ＝２５．４ ； 圈 ｌ 踊 —＿ 黼８ 集．分别用常用的贝叶斯网络分类器．如朴素贝叶斯 ｍｍ）、通过带４个螺栓 一 蹰 麟 （Ｎａ＇ｆｖｅ Ｂａｙｅｓ，ＮＢ） ３’４＿、增强朴素贝叶斯（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ 的转盘来模拟裂纹的 霸踊圈 麓礴 收稿日期：２０１２年８月 轴、一根有裂缝及填充 ▲图１轴裂纹研究套件 的自相关性与自功率谱分析表明：转速为２ ０００ ｒ／ｍｉｎ 王爝．高速磨削电主轴温及动为学特性研究『Ｄ］．长沙：中 时．自相关函数收敛较快 南大学．２００８． 参考文献 Ｓｈｕｙｕｎ Ｊｉａｎｇ，Ｓｈｕｆｅｉ Ｚｈｅｎｇ．Ｄｙｎａｍｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｈｉｇｈ— ［１］ Ｃ Ｈ Ｃｈｉｅｎ，Ｊ Ｙ Ｊａｎｇ．３－Ｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｐｅｅｄ Ｍｏｔｏｉｒｚｅｄ Ｓｐｉｎｄｌｅ－Ｂｅａｉｒｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ Ｂｕｉｌｔ－ｉｎ Ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ Ｓｐｉｎｄｌｅ ｗｉｔｈ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ，２０１０，１３２（３）：９８－１０１ Ｈｅｌｉｃａｌ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， 于瑞贺．高速电主轴性能测试系统的研究『Ｄ］．西安：西安 ２００８，２８，２３２７—２３３６． 交通大学．２００７． ［２］ Ｃｈｅｎｇｓｉｅｎ Ｗｕ，Ｙｕ Ｋｕｎｇ．Ａ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｏｉｌａｉｒ 钱木．高速机床主轴动态特性分析［Ｄ］．南京：东南大学， Ｌｕｂｒｉｅｍｉｏｎ ｏｆ ａ Ｈｉ ｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｐｉｎｄｌｅ ［Ｊ］．Ｐｒｅｅｉｓｓ ｏｎ ２００５． Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００５，２９：ｌ６２—１６７． 田华．数控机床高速电主轴结构设计及性能分析『Ｄ１．成 ［３］孙巍．高速电主轴系统设计与动静态性能分析［Ｄ］．沈阳： 都：四川大学，２００６． △ 沈阳工业大学．２ｏｏ７． （编辑 凌 云） 机械制造５１卷第５８１期 ２０１３／１ １ｊ
